0 Indhold

AF KL AUS M ØL M ER
Klaus Mølmer (f. 1963) blev i 2000 professor i
teoretisk fysik ved Aarhus Universitet efter forskningsophold i Frankrig og Tyskland. Hans forskning vedrører kvantemekaniske fænomener og
deres mulige anvendelser i blandt andet kvantecomputere. Med bogen ”Kvantemekanikken
– atomernes vilde verden” (Aarhus Universitetsforlag, 2010) og en lang række offentlige foredrag er han tillige en flittig populærvidenskabelig formidler.
Klaus Mølmer har i 2012 modtaget Villum
Kann Rasmuseens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning for sin banebrydende forskning inden for teoretisk kvanteoptik og atomfysik. Her har han haft særligt
fokus på studiet af atomare systemers vekselvirkning med lys. Årslegatet på 2.500.000
kr. skal ifølge Klaus Mølmer anvendes til
forskning, der har potentiale til at åbne helt
nye muligheder for kontrol og anvendelse af
kvante­systemerne.
54
K VA N T E S P R I N G
T E K N I K O G N AT U RV I D E N S K A B
Kvantespring
Bohrs atommodel
Den danske fysiker Niels Bohr foreslog i 1913,
at stoffets mindste bestanddele, atomerne, består
af elektroner i kredsløb om en atomkerne. Kreds­
løbene minder om planeternes baner rundt om
solen, men i Bohrs atommodel kan en elektron
kun bevæge sig i baner med helt bestemte afstande
til atomkernen. Til gengæld bliver den under­
tiden afbrudt i sin banebevægelse og foretager et
kvantespring, hvorefter den fortsætter bevægelsen
i en bane med en anden afstand.
I år 1900 havde den tyske fysiker Max Planck
forklaret, at lyskilder udsender deres stråling i
pakker, eller kvanter, med en energi, der er proportional med lysets frekvens. Under elektronens
kvantespring mellem Bohrs forskellige baner svarer forskellen i elektronens energi til energien i
Plancks lyskvanter, så den samlede energi er bevaret. Frekvensen bestemmer lysets farve, og fx det
orange lys fra motorvejenes gadelygter skyldes de
mulige energier i elektronbanerne i grundstoffet
natrium, mens elektronenergierne i grundstoffet
neon fører til det karakteristiske røde lys i neonrør. Kvantespringene mellem bestemte elektronbaner forklarer altså de særlige farvespektre i lyset
fra atom­are gasser. De er et markant og uforklarligt brud med den klassiske fysiks beskrivelse af
partiklers bevægelse.
Kvantemekanikken
Bohrs teori gav en præcis beskrivelse af lysspektret
for brintatomer, men den fejlede for alle andre
atomer, og det blev klart, at man måtte finde en
ny og bedre teori for atomerne. Den teori fandt
den østrigske fysiker Erwin Schrödinger i 1925.
Han erstattede teorien om elektronernes baner
med bølger, der svinger i rum og tid. Løsningerne til Schrödingers ligning kaldes bølgefunktioner.
Niels Bohr anno 1947. Foto: Niels Bohr Archive
VILLUM FONDEN
55
SCHRÖDINGERS KVANTEMEKANIK
beskriver elektronen med en matematisk bølgefunktion. Bølgemønstrene svinger ved forskellige frekvenser og stemmer med frekvensen af det udsendte lys.
YIN OG YANG SYMBOLET
repræsenterer dobbeltheden i den
kvantemekaniske beskrivelse af
stof som både partikler og bølger.
Grafik: Troels Marstrand. Tekst: Klaus Mølmer
56
K VA N T E S P R I N G
”GUD SPILLER TERNING”
I Bohrs atommodel sker springene og lysudsendelsen tilfældigt. I
kvantemekanikken er resultater
af målinger tilfældige, og måling
af et lysglimt forårsager et spring i
elektronens bølgefunktion.
BOHRS ATOMMODEL
Elektronen følger klassiske ”planetbaner” om atomkernen. Der udsendes lys, når elektronen foretager et
kvantespring mellem banerne.
De beskriver bølgemønstre med helt bestemte svingningsfrekvenser, ligesom strenge, trommeskind og luftsøjler i forskellige musikinstrumenter har bestemte svingningsmønstre med frekvenser,
som bestemmer instrumenternes toner.
Da man inkluderede teorien for lys og stråling i Schrödingers ligning, fandt man, at bølgefunktionernes svingninger gradvist dæmpes, mens der udsendes lys med de observerede frekvenser – også
for andre atomer end brint. Bohrs baner og kvantespring er således både utilstrækkelige og unødvendige for beskrivelsen af den
atomare verden.
Schrödingers bølgebeskrivelse kaldes kvantemekanikken, og den
er i dag det mikroskopiske grundlag for fysikken og kemien.
Schrödinger erstattede de klassiske partiklers bevægelse med bølger, men man udfører stadig forsøg, hvor partiklers position registreres, fx på en skærm eller en fotografisk film. Den tyske fysiker Max Born viste imidlertid, at de stedafhængige værdier af
den matematiske bølgefunktion nøje angiver sandsynligheden for
at opnå forskellige måleresultater. De fleste fysik- og kemiforsøg
vedrører mange partikler, og sandsynlighedsbeskrivelsen er en
fortrinlig måde at redegøre for hyppigheden og gennemsnittet af
mange måleresultater. Albert Einstein var dog utilfreds med en
beskrivelse af verden, hvor ”Gud spiller terning”, og man ikke kan
forudsige det enkelte måleresultat. Bohr mente derimod, at de
uforudsigelige resultater af målinger er udtryk for en fundamental
begrænsning i vores evne til at udtale os om de mikroskopiske
partiklers adfærd.
Kvantespring – fordi vi ser dem
Det er i dag muligt at studere et enkelt atoms opførsel og fx registrere det lys, atomet udsender, over længere tid. Kobler man en
lysmåler til en højttaler, lyder der et klik ved registreringen af hvert
enkelt lyskvant. Selvom vi kan beregne den gennemsnitlige hyppighed af disse klik med kvantemekanikken, er tidspunkterne for
de enkelte klik tilfældige. Tilfældigheder forhindrer altså ikke en
teoretisk beskrivelse. Men for at beregne atomets gennemsnitlige
T E K N I K O G N AT U RV I D E N S K A B
SCHRÖDINGERS KAT
Kvantemekanikken beskriver den
mikroskopiske elektron som en udstrakt bølge, indtil vi måler på den.
Hvis den samme beskrivelse gælder i den makroskopiske verden,
kan en kat være både levende og
død, indtil vi ser på den.
Måling og feedback. Vi kan cykle
uden at vælte, fordi vi kan registrere
og korrigere cyklens bevægelser. (En
kendt fysiker viser her hvordan.) Samme princip kan benyttes til at kontrollere atomers bevægelse – men her får
målingerne ekstra konsekvenser, fordi de selv forårsager abrupte kvantespring i atomernes bølgefunktion.
Foto: The Leo Baeck Institute’s Photograph Collection
opførsel må man redegøre for bølgefunktionens form, afhængigt
af om der til ethvert givet tidspunkt lyder et klik eller ej.
I de sidste årtier har vi såvel teoretisk som eksperimentelt vendt
VILLUM FONDEN
57
T E K N I K O G N AT U RV I D E N S K A B
i bølgefunktionens form, når et tilfældigt detektorklik simuleres. Vi beviste, at Monte Carlo bølgefunktioner i gennemsnit giver eksakt samme
resultat som de hidtidige metoder, som møjsommeligt holder styr på alle
tilfældige muligheder. De enkelte Monte Carlo bølgefunktioner er meget
lettere at beregne, og metoden tillader således en effektiv løsning af selv
meget svære problemer.
Mens vi oprindeligt var interesserede i at simulere fysiske processer i atomare systemer og kun benyttede målingerne som et trick, var andre forskere på samme tid interesserede i netop at redegøre for faktiske måleserier. Monte Carlo metoden opstod inden for det samme år i tre forskellige
forskningsmiljøer i Europa og USA. Metoden er i dag lærebogsmateriale,
og den er løbende blevet videreudviklet og generaliseret til en bred vifte
af fysiske problemer.
fokus imod den tilfældige opførsel i det enkelte eksperiment i stedet for
den gennemsnitlige opførsel af mange eksperimenter. Kvantespringene er
kommet tilbage, men med en ny betydning: I Bohrs beskrivelse sker elektronens kvantespring og lysudsendelsen, uanset om vi observerer det eller
ej. I den kvantemekaniske beskrivelse er der en vis sandsynlighed for at detektere lyset, og hvis det sker, bliver det, der var en mulighed, til virkelighed, og Schrödingers bølgefunktion ændrer abrupt form som konsekvens af
målingen. Kvantespringene sker, fordi vi ser lyset, og ikke omvendt.
To franske fysikere, Jean Dalibard og Yvan Castin, og denne artikels forfatter indførte i 1990-1992 en teoretisk beskrivelse, hvor vi lader som om,
vi faktisk måler på lysudsendelse fra et atom og simulerer resultatet af de
hypotetiske målinger ved at trække lod på en computer. Vi opkaldte metoden efter kasinoerne i Monte Carlo, og vores Monte Carlo bølgefunktio-
Kvantespring – en ressource
Når der registreres et klik, sker der abrupte kvantespring, hvor bølgefunktionen opnår nye former, som måske kun vanskeligt dannes med de
naturlige kræfter, vi har til rådighed i laboratoriet. For eksempel er der udført eksperimenter, hvor lys detekteres fra to fjerne atomer, som begge er
i energirige tilstande. Registreringen af et enkelt klik afgør ikke, om lyset
kom fra det ene eller det andet atom, og de to atomer ender, som følge af
klikket, i en såkaldt entanglet kvantetilstand, hvor det på samme tid er det
ene og det andet atom, der har udsendt lyset, og derfor ikke længere er i
den energirige tilstand.
Kvantespringenes abrupte og ikke-lokale dynamik er en af de mest effektive veje til at præparere entanglede tilstande af atomer og lys, som er vigtige komponenter i præcise måleapparater, kommunikationsteknologier
og kvantecomputere. Men måleresultaterne er tilfældige, og den ønskede
tilstand opstår kun en gang imellem (når klikket har lydt).
Udnytter vi imidlertid den viden, vi opnår ved målingerne, kan vi med
kontrollerede fysiske påvirkninger af systemet, fx med lys eller elektriske
kræfter, til en vis grad ophæve tilfældighederne.
Årslegatet skal bruges til at udforske den dynamik, der fremkommer, når
man kombinerer kvantespring med feedback – små puf bestemt af vores
måleresultater. Denne forskning har potentialet til at åbne helt nye mulig-
ner følger Schrödingers ligning, men oplever tillige abrupte kvantespring
heder for kontrol og anvendelse af kvantesystemerne.
Et atomart kvantesystem styres ved hjælp af fysiske påvirkninger, som bestemmes af målinger på systemet. Kombination­
en af feedback-påvirkningerne og de tilfældige kvantespring, som følger af målingerne, er en udfordring for den teoretiske fysik med mange anvendelsesmuligheder. Grafik: Klaus Mølmer
58
K VA N T E S P R I N G
VILLUM FONDEN
59